利用 SpinDoctor 与 Neuron 模块对真实神经元进行扩散 MRI 模拟
神经元与认知
2020-07-22 v3 生物物理
医学物理
摘要
在本文中，我们展示在基于 Matlab 的扩散 MRI 模拟工具箱 SpinDoctor 内实现的 Neuron 模块。SpinDoctor 使用有限元离散与自适应时间积分，在多个 b 值与多个扩散方向上求解一般扩散编码序列的 Bloch-Torrey 偏微分方程。为便利研究界对真实神经元进行扩散 MRI 模拟，我们为一组 36 个锥体神经元与一组 29 个梭形神经元构建了有限元网格，其形态描述取自公开可用的神经元库 NeuroMorpho。我们还将神经元拆分为胞体与树突分支，并为这些细胞组分创建有限元网格。通过 Neuron 模块，这些神经元与细胞组分的有限元网格可与 SpinDoctor 的功能无缝结合。为说明 Neuron 模块的若干潜在用途，我们给出来自完整神经元以及胞体与树突分支的在多个扩散方向上的模拟扩散 MRI 信号数值示例，并包含树突分支与完整神经元间高 b 值行为的比较。此外，我们证明神经元网格也可用于执行蒙特卡洛扩散 MRI 模拟。我们表明在同等精度下，若仅需模拟一个梯度方向，SpinDoctor 快于蒙特卡洛的 GPU 实现。最后，我们利用有限元离散数值计算神经元几何上 Bloch-Torrey 与 Laplace 算子的特征函数与特征值，以便为有限元与蒙特卡洛方法时空离散参数的选择提供指导。
引用
@article{arxiv.1910.07916,
title = {Diffusion MRI simulation of realistic neurons with SpinDoctor and the Neuron Module},
author = {Chengran Fang and Van-Dang Nguyen and Demian Wassermann and Jing-Rebecca Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:1910.07916},
year = {2020}
}
备注
42 pages, 17 figures. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1902.01025